基于地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)的東莞市景觀格局分析

惠宇　麥娥英　楊志剛　姜海林　危育冰

摘要：近15年來，東莞市城鎮(zhèn)化發(fā)展迅速，城市景觀變化明顯。本研究基于東莞市地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)，利用景觀格局分析的方法研究東莞市建成區(qū)范圍地表覆蓋變化規(guī)律，計(jì)算了研究區(qū)域草地、道路、房屋建筑（區(qū)）、耕地、構(gòu)筑物、荒漠與裸露地表、林地、人工堆掘地、水域、園地等10種地表覆蓋的景觀格局指數(shù)，研究了東莞市城鎮(zhèn)化進(jìn)程中景觀格局動(dòng)態(tài)變化特征，發(fā)掘了東莞市城市景觀格局演化的影響因子。結(jié)果表明：1999年以后建成區(qū)土地形狀逐漸變得不規(guī)則、破碎，道路連通性不斷增強(qiáng)；中部與東北部地區(qū)地表覆蓋斑塊形狀較為簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性較高；西北部地區(qū)斑塊形狀破碎。

關(guān)鍵詞：地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)；景觀格局；地表覆蓋；東莞市

0 引言

改革開放以來，我國(guó)城市進(jìn)入了城鎮(zhèn)化高速發(fā)展的階段。農(nóng)村人口大量涌入城市，建設(shè)用地不斷擴(kuò)張，城市景觀發(fā)生了明顯變化。城市景觀的改變受自然因素、政策執(zhí)行、經(jīng)濟(jì)波動(dòng)、人口遷移等多重因素的影響，反過來又會(huì)引起區(qū)域生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)環(huán)境發(fā)生變化。為了能夠更加全面、系統(tǒng)地研究景觀的時(shí)空變化規(guī)律，景觀格局分析理論被引入到城市景觀的研究中，并逐漸吸引了學(xué)者的廣泛關(guān)注。

景觀格局是指大小和形狀各異的景觀空間單元（斑塊）在空間上的排列與組合規(guī)律，包括景觀組成單元的類型、數(shù)目、空間分布與配置。景觀格局的研究對(duì)分析自然與生態(tài)過程和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)之間的關(guān)系具有重要意義。景觀格局理論包含一系列的景觀空間格局分析方法，其中，景觀格局指數(shù)是應(yīng)用十分廣泛的一種。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和GIS技術(shù)的廣泛應(yīng)用，景觀格局指數(shù)的研究也得到了快速的發(fā)展，一些新的景觀格局指數(shù)不斷產(chǎn)生，比如孔隙度指數(shù)、聚集度指數(shù)、景觀空間負(fù)荷對(duì)比指數(shù)等。如今，景觀格局指數(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到土地利用變化、土地空間布局、城市區(qū)域經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)等多個(gè)研究領(lǐng)域。

本文將城市景觀格局的研究地點(diǎn)設(shè)定在廣東省東莞市。東莞市位于廣東省中南部，珠江口東岸，東江下游的珠江三角洲，是珠江三角洲的重要工業(yè)城市，有“世界工廠”之稱。改革開放以來，東莞市飛速發(fā)展，城市內(nèi)部用地結(jié)構(gòu)變化明顯，城市景觀格局改變顯著。本文使用廣東省地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源，以多種景觀格局指數(shù)作為評(píng)價(jià)方法，針對(duì)該地區(qū)的城鎮(zhèn)化發(fā)展情況，對(duì)研究區(qū)域1999-2013年的景觀格局變化、發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行分析和研究，并試圖挖掘東莞市各時(shí)間段城鎮(zhèn)化發(fā)展的差異程度及其影響因素，以期更加準(zhǔn)確、全面地揭示東莞市十余年來的景觀格局發(fā)展變化的總體趨勢(shì)。

1 研究方法

為了從宏觀上分析東莞市地表覆蓋的組成、空間變化，本文利用景觀要素的指數(shù)描述不同地表覆蓋類型的結(jié)構(gòu)組成和空間特征，同時(shí)利用景觀總體特征的指數(shù)反映區(qū)域全局的景觀特征。景觀要素指數(shù)是描述單個(gè)景觀類的指數(shù)，而景觀總體特征指數(shù)是描述區(qū)域內(nèi)所有景觀類型的總體特征的指數(shù)。在具體實(shí)施過程中，選取景觀復(fù)雜度、景觀破碎度、景觀穩(wěn)定性、景觀多樣性、景觀均勻度、景觀優(yōu)勢(shì)度幾個(gè)景觀格局指數(shù)，如圖1所示。

1.1 景觀復(fù)雜度

選取面積周長(zhǎng)分維數(shù)（D）用來描述景觀復(fù)雜度，即景觀中斑塊形狀復(fù)雜程度。計(jì)算公式如下：

代表景觀斑塊面積，代表景觀斑塊周長(zhǎng)。

斑塊面積的對(duì)數(shù)與斑塊周長(zhǎng)的對(duì)數(shù)回歸，得到回歸直線，由最小二乘法求得系數(shù)a。

面積周長(zhǎng)分維數(shù)值域?yàn)椋?，2），分形維數(shù)越接近1，表明景觀要素斑塊的自我相似性越強(qiáng)，斑塊形狀越有規(guī)律，斑塊的集合形狀趨向簡(jiǎn)單，受干擾程度越大；反之，分形維數(shù)越接近2，表明景觀要素斑塊的形狀越無規(guī)律，形狀越復(fù)雜，受干擾程度越小。

1.2 景觀破碎度

破碎度指數(shù)（FN）用來描述景觀破碎度，即整個(gè)景觀或某一給定景觀類型在給定時(shí)間和給定性質(zhì)上的破碎化程度。計(jì)算公式如下：

C=N/A， （2）

式中：N為總斑塊數(shù)，A為總面積。

C_i=N_i/A_i， （3）

式中：N_i為景觀i斑塊數(shù)，A_i景觀i的面積。

1.3 景觀穩(wěn)定性

穩(wěn)定性指數(shù)（Si）用來描述景觀穩(wěn)定性，描述空間結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，Mandelbrot認(rèn)為，布朗運(yùn)動(dòng)的線線函數(shù)的分維數(shù)是1.5。分維數(shù)越接近于1.5臨界值點(diǎn)，地表覆蓋類型越接近于布朗運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，穩(wěn)定性越差；反之，穩(wěn)定性越強(qiáng)。

S_i=|1.5-D| （4）

式中：D為景觀的面積周長(zhǎng)分形維數(shù)指數(shù)。

1.4 景觀多樣性

香農(nóng)多樣性指數(shù)（SHDI）用來描述景觀多樣性。計(jì)算公式如下：

式中：P_i為i類型斑塊在景觀中出現(xiàn)的可能性，在此以斑塊所占景觀面積的比例計(jì)算，m為景觀類型的數(shù)目。

景觀多樣性有兩層含義：一是表述斑塊類型的多少（即豐富度）；二是說明各類型在空間上分布的均勻程度。當(dāng)景觀由兩種以上的類型構(gòu)成，且各景觀類型所占的比例相等時(shí)，景觀的多樣性指數(shù)最高；當(dāng)各景觀類型所占的比例差異增大時(shí)，類型多樣性指數(shù)下降。

SHDI>=0，當(dāng)SHDI=0時(shí)，表明整個(gè)景觀僅由一個(gè)斑塊組成：SHDI增大，說明斑塊類型增加或各斑塊類型在景觀中呈均衡化趨勢(shì)分布。

1.5 景觀均勻度

香農(nóng)均勻度指數(shù)（SHEI）來描述景觀均勻度，表示景觀鑲嵌體中不同景觀類型在其數(shù)目或面積方面的均勻程度。公式如下：

式中：為某類景觀所占面積的比例，m為景觀類型的數(shù)目。

0<=SHEI<=1。當(dāng)景觀中只包含一個(gè)斑塊（沒有多樣性）時(shí)，SHDI=0，隨著不同斑塊類型間的面積分布越來越不均勻（如主要以一種類型為主），SHDI趨近于0。而當(dāng)不同類型斑塊間是完全均勻（各類型所占比率相等）時(shí)，SHDI=1。

1.6 景觀優(yōu)勢(shì)度

景觀優(yōu)勢(shì)度指數(shù)描述景觀的優(yōu)勢(shì)度，表示一種或幾種類型斑塊在一個(gè)景觀中的優(yōu)勢(shì)化程度，也用來描述景觀多樣性對(duì)最大多樣性之間的偏差或描述景觀由少數(shù)幾個(gè)景觀要素控制的程度。

式中：H_max為多樣性指數(shù)（此處以SHDI）最大值，即計(jì)算為i類景觀所占面積的比例，m為景觀類型的數(shù)目。通常，較大的值對(duì)應(yīng)于一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)占主導(dǎo)地位的景觀。

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

2.1 數(shù)據(jù)來源

本文數(shù)據(jù)來自東莞市地理國(guó)情普查數(shù)據(jù)中地表覆蓋數(shù)據(jù)，包括草地、道路、房屋建筑（區(qū)）、耕地、構(gòu)筑物、荒漠與裸露地表、林地、人工堆掘地、水域、園地共10類景觀，數(shù)據(jù)覆蓋了1999年、2003年、2008年、2013年4個(gè)年份，由分辨率優(yōu)于2.5m的高分遙感影像解譯獲取。研究范圍如圖2標(biāo)黑區(qū)域所示，為廣東省東莞市2013年建成區(qū)，分析這片區(qū)域從1999-2013年間城鎮(zhèn)化進(jìn)程中的景觀格局變化規(guī)律。

2.2 研究區(qū)域景觀格局指數(shù)變化

基于上述公式，使用AE進(jìn)行二次開發(fā)，編寫代碼計(jì)算基于矢量數(shù)據(jù)的景觀格局指數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3（a）顯示研究區(qū)域各類地表覆蓋斑塊面積周長(zhǎng)分維數(shù)變化趨勢(shì)基本相同，總體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，斑塊形狀趨向復(fù)雜、不規(guī)則。房屋建筑（區(qū)）幾乎無變化，道路變化幅度最大。可能是由于1999年前新開發(fā)土地較多、規(guī)劃力度較強(qiáng)，各類斑塊形狀較簡(jiǎn)單、規(guī)則；1999～2013年各類土地斑塊逐漸細(xì)碎化，相互交互，形狀變得復(fù)雜、不規(guī)則。

圖3（b）顯示景觀破碎度總體趨勢(shì)逐年升高。其中，耕地、草地、荒地等類型的斑塊越來越破碎。林地、園地先破碎加劇，2013年破碎度下降，表明有所整合。道路破碎度持續(xù)下降，表明道路連通性不斷增強(qiáng)。

圖3（c）顯示穩(wěn)定性指數(shù)總體呈下降趨勢(shì)。多數(shù)地表覆蓋斑塊1999～2008年穩(wěn)定度較高，2013年下降。表明1999～2008年抗干擾能力較強(qiáng)，預(yù)測(cè)性較高。2013年抗干擾能力下降，特別是林地，容易發(fā)生形狀或類型的變化。

由圖3（d）可以看出，房屋建筑（區(qū)）及構(gòu)筑物所占比例持續(xù)上升；道路所占面積比例緩慢上升；耕地、草地、園地、荒漠與裸露地表、人工堆掘地所占比例持續(xù)下降；林地占比變化不大。

香農(nóng)多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)持續(xù)下降，景觀優(yōu)勢(shì)度持續(xù)上升，表明研究區(qū)域景觀構(gòu)成向不均勻轉(zhuǎn)變，各類地表覆蓋面積差距拉大，主導(dǎo)地位的地表覆蓋斑塊房屋建筑（區(qū)）占比持續(xù)增加，由1999年的23%增加到2013年的44%。

2.3 東莞市鎮(zhèn)街景觀格局對(duì)比

東莞市轄32個(gè)鎮(zhèn)街，2013年各鎮(zhèn)街的建成區(qū)景觀格局指數(shù)的空間分布圖如圖4所示。

圖4（a）、（c）顯示東莞市中部地區(qū)與東北部地區(qū)面積周長(zhǎng)分維指數(shù)和破碎度指數(shù)都比較低，表明地表覆蓋斑塊形狀較為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較高。西部地區(qū)除高埗鎮(zhèn)、望牛墩鎮(zhèn)，周長(zhǎng)分維指數(shù)和破碎度指數(shù)都比較低，表示地表覆蓋斑塊形狀較為復(fù)雜、穩(wěn)定性低。

圖4（b）顯示中部地區(qū)建成區(qū)破碎度較低，東西部地區(qū)破碎度相對(duì)較高。

圖4（d）顯示西部、中部各有顏色較深的地區(qū)，這些區(qū)域的優(yōu)勢(shì)度較低，而東莞市內(nèi)莞城街道、北部、東南地區(qū)優(yōu)勢(shì)度較高。優(yōu)勢(shì)度高意味著存在主導(dǎo)類型地表覆蓋，對(duì)于建成區(qū)來說，主要是建設(shè)用地的占比較大，建設(shè)水平較高。為增加?xùn)|莞市發(fā)展的均衡性，下一步城市建設(shè)可優(yōu)先考慮優(yōu)勢(shì)度較低的地區(qū)。

3 結(jié)論

本文利用景觀復(fù)雜度、景觀破碎度、景觀穩(wěn)定性、景觀多樣性、景觀均勻度及景觀優(yōu)勢(shì)度等方法，以東莞市2013年建成區(qū)為范圍，分析了其1999年、2003年、2008年及2013年的景觀格局的變化特征，得出如下結(jié)論：

（1）研究區(qū)域土地形狀逐漸變得不規(guī)則。表明1999-2013年隨著東莞市城市擴(kuò)張，土地斑塊逐漸細(xì)化，相互交錯(cuò)，形狀變得不規(guī)則，同時(shí)穩(wěn)定性也在下降。

（2）1999-2013年間研究區(qū)域總體地表覆蓋斑塊逐漸破碎。但道路破碎度持續(xù)下降，表明道路越來越連通。

（3）1999-2013年研究區(qū)域耕地、草地面積持續(xù)下降。優(yōu)勢(shì)景觀房屋建筑（區(qū)）所占面積比例從1999年的23%擴(kuò)大到2013年的44%；地表覆蓋圖疊加分析顯示東莞市在1999-2013年間有大量耕地、草地轉(zhuǎn)為建設(shè)用地，包括房屋建筑（區(qū)）、構(gòu)筑物、道路。其間新增建設(shè)用地主要來源由耕地轉(zhuǎn)為草地。人工堆掘地面積占比下降，表明東莞市改造及新增建筑有所減少。

（4）東莞市建成區(qū)中部與東北部地區(qū)地表覆蓋斑塊形狀較為簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性較高，西部地區(qū)斑塊形狀復(fù)雜、穩(wěn)定性低。

（5）研究區(qū)域從1999-2013年間總體建設(shè)用地逐漸增加到7770，仍然保有1870以上的綠地，道路越來越連通，對(duì)于經(jīng)濟(jì)發(fā)展、居住生活都較適宜。但斑塊形狀不規(guī)則、穩(wěn)定性低，容易發(fā)生形狀或類型的轉(zhuǎn)變，建議在未來城市建設(shè)中予以重視。